Прогноз термостабилизации массива обводненных осыпей на дне карьера криолитозоны с помощью сезонно-охлаждающих устройств

Работа посвящена повышению безопасности горных работ на кимберлитовых рудниках криолитозоны, дорабатывающих подкарьерные запасы. В статье изложены результаты исследований в области обеспечения устойчивости и водонепроницаемости массива обводненных осыпей, накопленных на дне карьера, при помощи искусственного замораживания сезонно-охлаждающими устройствами (СОУ). Для оценки эффективности данного способа и определения оптимальных параметров его реализации разработана трехмерная математическая модель тепловых процессов, происходящих в техногенном водоеме, в толще обводненных осыпей, скопившихся на дне карьера, и подкарьерного целика, учитывающая фазовый переход влаги и применение сезонно-действующих охлаждающих устройств. Разработанная математическая модель решена численным методом, а именно конечно-разностным, реализована в виде приложения для ОС Microsoft Windows и позволяет провести долгосрочный прогноз формирования температурного поля в массиве насыпных пород в зависимости от различных конструктивных и технологических параметров замораживания с помощью СОУ. Численные эксперименты проведены для условий кимберлитового карьера «Интернациональный». Приведены результаты исследования по выбору оптимальных параметров СОУ, нацеленному на повышение интенсивности замораживания массива насыпных пород на дне карьера. Исследования показали эффективность использования СОУ для улучшения устойчивости обводненной и засоленной толщи насыпных пород на дне отработанного карьера криолитозоны путем замораживания. В массиве промороженного массива пород со временем устанавливается устойчивая отрицательная температура, что позволяет отключить СОУ. В последующие годы мерзлое состояние его сохраняется, и горные породы на дне карьера постепенно переходят на естественный температурный режим.

Романова Е. К. Прогноз термостабилизации массива обводненных осыпей на дне карьера криолитозоны с помощью сезонно-охлаждающих устройств // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. № 12—1. — С. 183—194. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_121_0_183.

Романова Елена Константиновна — канд. техн. наук., научный сотрудник, Институт горного дела Севера им. Н. В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», 677980, г. Якутск, пр. Ленина, 43.

Романова Е. К., e-mail: helconst@mail.ru.

1. Zarovnyaev B. N., Akishev A. N., Shubin G. V., Budikina M. E., Sobakina M. P. // 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. 2019. Conference proceedings. 2019. pp. 629−634.

2. Айнбиндер И. И., Пацкевич П. Г., Красюкова Е. В. Обоснование параметров опасных зон при комбинированной разработке кимберлитовых месторождений Якутии // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. — 2019. — № 3. — С. 48—60.

3. Мальцева И. А. Обоснование и выбор параметров отработки подкарьерных запасов трубки «Мир» // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2002. — № 7. — С. 120—123.

4. Сахаров И. И., Парамонов В. Н., Парамонов М. В., Игошин М. Е. Деформации морозного пучения и оттаивания грунтов при работе и повреждении сезонно-охлаждающих устройств // Промышленное и гражданское строительство. — 2017.№ 12. — С. 23—30.

5. Цыбин С. С. Обзор систем термостабилизации ММГ и оценка эффективности работы термостабилизатора в конкретных климатических условиях // Аллея науки. — 2017. — Т. 2. — № 9. — С. 432—439.

6. Лихачев Е. С., Молчанов С. А. Методы термостабилизации вечномерзлых грунтов и разработка перспективных установок замораживания грунтов // Академическая публицистика. — 2018. — № 10. — С. 14—19.

7. Choi S, Lee S, Son K and Kim Y. The effects of operation variables on the cooling seasonal efficiency of a residential air conditioner with an inverter compressor ACRA // 8th Asian Conference on Refrigeration and Air-Conditioning. 2016.

8. Filimonov M., Vaganova N, Numerical simulation of technogenic and climatic influence on permafrost // Advances in Environmental Research. Volume 54, edited by J. A. Daniels (Nova Science Publishers, New York, 2017), pp. 117–142.

9. Vaganova N. A. Simulation of thermal stabilization of bases under engineering structures in permafrost zone // Proceedings of the 44th International Conference on Applications of Mathematics in Engineering and Economics. 2018. С. 030010.

10. Vaganova N. A., Filimonov M. Y. Simulation of cooling devices and effect for thermal stabilization of soil in a cryolithozone with anthropogenic impact // Lecture Notes in Computer Science. 2019. Т. 11386 LNCS. pp. 580—587.

11. Хохолов Ю. А., Курилко А. С., Соловьев Д. Е. Расчет температурного поля засоленных горных пород в устьевой части вертикального ствола при работе замораживающей системы // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2016. — № 3. — С. 176—184.

12. Романова Е. К., Хохолов Ю. А., Курилко А. С. Моделирование термостабилизации грунтов основания блока биологической очистки сточных вод (ББО) в условиях вечной мерзлоты / Теплофизика и энергетика арктических и субарктических территорий. Расширенные тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием — Якутск: Изд-во ФГБУН Ин-т мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2019. — С. 384—387.

13. Romanova E., Khokholov Yu. Maintaining thermal stability of a fill slone in cryolitozone. // E3S Web of Conferences 192. VIII International Scientific Conference “Problems of Complex Development of Georesources”, EDP Siences. 2020. С. 01021. DOI: 10.1051/e3sconf/202019201021.

14. Ефимов В. М., Васильчук Ю. К., Рожин И. И., Попенко Ф. Е., Степанов А. В. Моделирование температурного режима грунтовых оснований с сезонноохлаждающими устройствами в условиях криолитозоны республики Саха (Якутия) // Арктика и Антарктика. — 2017. — № 4. С. 86—97.

15. Тихонов, А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1977. — 736 с.